⚙️ Elektrické stroje: asynchronní a stejnosměrný motor

Co se v motoru točí

O čem to je

Dopravník, čerpadlo, ventilátor, vřeteno soustruhu – skoro všechno, co se ve fabrice točí, pohání elektromotor. Nejčastější je asynchronní motor: jednoduchý, levný a skoro bez údržby. V autech, robotech a malém nářadí zase najdeš stejnosměrné motory.

Nové pojmy

Připomenutí: síla na vodič v magnetickém poliNa vodič s proudem v magnetickém poli působí síla F = B · I · l. A když se vodič v poli pohybuje (nebo se pole mění), indukuje se v něm napětí.
Stator a rotorStator je nepohyblivá část motoru (kostra s vinutím nebo magnety). Rotor je otáčivá část na hřídeli.U ventilátoru je stator v plechové skříni, rotor nese lopatky.
Točivé magnetické poleMagnetické pole, které se samo otáčí, i když se nic mechanicky nehýbe. Vytvoří ho tři vinutí statoru napájená trojfázovým proudem, protože fáze dosahují vrcholu jedna po druhé.Jako kdyby kolem rotoru obíhal neviditelný magnet.

Asynchronní motor krok za krokem

  1. trojfázový proud ve statoru vytvoří točivé pole
  2. pole protíná tyče rotoru a indukuje v nich proud
  3. na tyče s proudem působí v poli síla
  4. rotor se roztočí za polem, ale o trochu pomaleji

Projdi cyklus. Kdyby rotor dohnal pole, přestal by ho protínat, nic by se neindukovalo a nevznikla by síla. Proto se rotor vždy točí o něco pomaleji – asynchronně.

Klecový rotor (kotva nakrátko)Rotor z hliníkových nebo měděných tyčí spojených na koncích kruhy, jako veverčí klec, zalitých v plechovém jádře. Nemá žádné kartáče ani přívody.Proto asynchronní motor skoro nepotřebuje údržbu, jen ložiska.
Synchronní otáčky a skluzSynchronní otáčky n_s = rychlost točivého pole: n_s = 60 · f / p, kde p je počet pólových dvojic. Skluz říká, o kolik rotor zaostává: s = (n_s − n) / n_s.50 Hz, p = 2 → n_s = 1 500 ot/min. Na štítku bývá třeba 1 440 ot/min.
Motor má na štítku 1 440 ot/min, síť 50 Hz. Kolik má pólových dvojic a jaký je skluz?
Synchronní otáčky musí být těsně nad 1 440: možnosti 3 000, 1 500, 1 000… → n_s = 1 500, tedy p = 60 · 50 / 1 500 = 2. Skluz s = (1 500 − 1 440) / 1 500 = 0,04 = 4 %.

Stejnosměrný motor

Komutátor a kartáčeKomutátor je válec z měděných lamel na hřídeli rotoru. Uhlíkové kartáče po něm kloužou a přivádějí proud do vinutí rotoru. Každou půlotáčku obrátí směr proudu ve vinutí, aby síla tlačila rotor stále stejným směrem.Jiskření a opotřebené kartáče jsou typická závada starších vrtaček.

Stejnosměrný motor: stator vytváří stálé pole (magnety nebo budicí vinutí), rotor (kotva) dostává proud přes komutátor. Otáčky se snadno řídí velikostí napětí na kotvě, směr otáčení změnou její polarity.

Jak obrátíš směr otáčení trojfázového asynchronního motoru a jak stejnosměrného motoru s permanentními magnety?
Asynchronní: prohodíš dvě libovolné fáze – točivé pole se otočí opačně. Stejnosměrný s magnety: prohodíš polaritu napájení kotvy.
✗Asynchronní motor na 50 Hz se čtyřmi póly se točí přesně 1 500 ot/min.
✓Točivé pole má 1 500 ot/min, rotor se točí o několik procent pomaleji (třeba 1 440 ot/min).

Bez skluzu by se do rotoru nic neindukovalo a motor by neměl moment. Se zatížením skluz roste.

Asynchronní motor: točivé pole statoru indukuje proud v klecovém rotoru, rotor se točí se skluzem, n_s = 60 · f / p. Stejnosměrný motor: proud do rotoru přes komutátor a kartáče, otáčky řídíš napětím.

Štítek a provoz

O čem to je

Mechatronik motor vybírá, zapojuje, spouští a hledá na něm závady. K tomu potřebuje přečíst štítek, spočítat otáčky a moment a znát vlastnosti různých druhů motorů. Tady jsou v přehledu.

Nové pojmy

Elektrický strojZařízení, které přeměňuje energii pomocí magnetického pole. Točivé: motor (elektrická → mechanická), generátor (mechanická → elektrická). Netočivé: transformátor.Alternátor v autě je generátor, startér je motor.
Stator, rotor, vzduchová mezeraStator stojí, rotor se točí. Mezi nimi je úzká vzduchová mezera, přes kterou přechází magnetické pole.Mezera bývá desetiny milimetru až jednotky milimetrů.
Jmenovité hodnotyHodnoty na štítku, při kterých motor smí trvale pracovat: výkon na hřídeli P (kW), napětí, proud, otáčky, cos φ, účinnost, zapojení.3 kW, 400 V Y, 6,3 A, 1 430 ot/min, cos φ 0,82.
Moment MOtáčivý účinek síly na hřídeli, jednotka N·m. S výkonem a otáčkami souvisí: M = 9 550 · P / n (P v kW, n v ot/min).3 kW při 1 430 ot/min → M ≈ 20 N·m.
Rozběhový proudProud při zapnutí, když rotor ještě stojí. U asynchronního motoru při přímém zapnutí bývá několikanásobkem jmenovitého proudu (řádově 5–8×).Proto se větší motory spouštějí přepínačem hvězda–trojúhelník, softstartérem nebo frekvenčním měničem.

Porovnání motorů

asynchronní klecovýstejnosměrný s komutátorem
napájenístřídavé, nejčastěji 3 × 400 Vstejnosměrné
proud do rotoruindukcí, bez kontaktůpřes kartáče a komutátor
řízení otáčekfrekvenčním měničem (mění f)napětím na kotvě
údržbaminimální (ložiska)kartáče a komutátor se opotřebují
změna směruprohození dvou fázípřepólování kotvy

Roztřiď pojmy k motoru, ke kterému patří.

Zjisti frekvenci sítě a počet pólů (nebo z otáček na štítku odhadni n_s).
Spočítej n_s = 60 · f / p.
Skluz s = (n_s − n) / n_s.
Moment M = 9 550 · P / n.
Příkon P₀ = P / η, proud I = P₀ / (√3 · U · cos φ).
Šestipólový motor (p = 3) je napájen frekvenčním měničem 40 Hz. Jaké jsou synchronní otáčky?
n_s = 60 · 40 / 3 = 800 ot/min. Změnou frekvence měnič plynule řídí otáčky.
Motor 7,5 kW má jmenovité otáčky 2 900 ot/min. Jaký je jmenovitý moment?
M = 9 550 · 7,5 / 2 900 ≈ 24,7 N·m.
Sériový motorStejnosměrný motor, jehož budicí vinutí statoru je zapojené do série s rotorem (kotvou). Má velký záběrný moment. Když funguje i na střídavý proud, říká se mu univerzální motor.Startér auta (sériový), vrtačka nebo vysavač (univerzální).
✗Velký sériový stejnosměrný motor spojím se strojem řemenem a klidně ho zkusím pustit naprázdno.
✓Sériový motor musí být se zátěží spojený pevně (spojkou, převodovkou) a nesmí běžet naprázdno.

U sériového motoru s klesající zátěží klesá proud i budicí pole a otáčky prudce rostou. Když spadne řemen, může se motor „rozběhnout“ až k mechanickému zničení.

Točivé stroje: motory a generátory. n_s = 60 · f / p, skluz s = (n_s − n)/n_s, M = 9 550 · P / n. Asynchronní motor řídí frekvenční měnič, stejnosměrný napětí kotvy. Rozběhový proud asynchronního motoru je několikanásobkem jmenovitého.
🔁Transformátor⛑️Bezpečnost práce v elektrotechnice